Chapter2CompositeReinforcements復(fù)合材料增強體2/3/20231ChemistryofMaterials2004,Chapter52.1基本概念2.2無機非金屬纖維2.3有機纖維（芳綸纖維）2.4晶須及顆粒增強物JJJJ主要內(nèi)容2/3/20232ChemistryofMaterials2004,Chapter52.1基本概念增強材料增強（韌）機制界面作用增強材料的分類JJJJ2/3/20233ChemistryofMaterials2004,Chapter52.1基本概念

增強材料就象樹木中的纖維，混凝土中的鋼筋一樣，是復(fù)合材料的重要組成部分，并起到非常重要的作用。

在纖維增強復(fù)合材料中，纖維是承受載荷的組元，纖維的力學(xué)性能決定了復(fù)合材料性能。2/3/20234ChemistryofMaterials2004,Chapter5針葉樹的木材的組織2/3/20235ChemistryofMaterials2004,Chapter5蒙脫土增強PMMA和PS材料2/3/20236ChemistryofMaterials2004,Chapter5增強材料定義：

增強體是復(fù)合材料中能提高基體材料力學(xué)性能的組元物質(zhì)，它可以顯著提高基體的強度、韌性、模量、耐熱、耐磨等性能。SiC/硼硅玻璃復(fù)合材料的強度隨SiC體積含量線性增加2/3/20237ChemistryofMaterials2004,Chapter5增韌機制復(fù)合材料在受沖擊載荷時材料發(fā)生破壞（斷裂），其韌性大小取決于材料吸收沖擊能量大小和抵抗裂紋擴展的能力。

以纖維增強復(fù)合材料為例，主要有纖維的拔出、纖維與基體的脫粘、纖維搭橋等增韌機制。2/3/20238ChemistryofMaterials2004,Chapter5纖維脫粘纖維搭橋纖維拔出2/3/20239ChemistryofMaterials2004,Chapter5碳納米管/聚苯乙烯復(fù)合材料的斷裂機理纖維搭橋纖維拔出2/3/202310ChemistryofMaterials2004,Chapter5復(fù)合材料是由性質(zhì)和形狀各不相同的兩種或兩種以上材料組元復(fù)合而成的，在兩種材料之間必然存在把不同材料結(jié)合在一起的接觸面－界面

復(fù)合材料的界面實質(zhì)上是具有納米級以上厚度的界面層，有的還會形成與增強材料和基體有明顯差別的新相，稱之為界面相。

界面作用2/3/202311ChemistryofMaterials2004,Chapter5界面的粘結(jié)強度是衡量復(fù)合材料中增強材料與基體間界面結(jié)合狀態(tài)的一個指標。對于結(jié)構(gòu)復(fù)合材料而言，界面粘結(jié)強度過高或過弱都不利于材料的力學(xué)性能。

2/3/202312ChemistryofMaterials2004,Chapter5復(fù)合材料界面的粘結(jié)方式

機械結(jié)合靜電作用界面擴散界面反應(yīng)2/3/202313ChemistryofMaterials2004,Chapter5增強材料的分類

2/3/202314ChemistryofMaterials2004,Chapter5增強材料的強度、模量和密度增強材料與基體材料的物理相容性化學(xué)相容性性能/價格比在復(fù)合材料設(shè)計中，選擇增強材料的原則對結(jié)構(gòu)復(fù)合材料而言，第一考慮的是增強材料的強度、模量和密度，其與基體物理及化學(xué)相容性主要反映界面作用和影響。2/3/202315ChemistryofMaterials2004,Chapter52.2無機非金屬纖維2.2.1碳纖維2.2.2硼纖維2.2.3碳化硅纖維2.2.4玻璃纖維JJJJ2/3/202316ChemistryofMaterials2004,Chapter52.2無機非金屬纖維2.2.1碳纖維碳纖維是一種高性能增強纖維，最高強度可達7000MPa，最高彈性模量達900GPa，密度1.8~2.1g/cm3，具有低熱膨脹、高導(dǎo)熱、導(dǎo)電性好、耐磨、耐高溫等特點。可分為碳纖維和石墨纖維兩種。2/3/202317ChemistryofMaterials2004,Chapter5

碳纖維由聚丙烯腈纖維（PAN）、瀝青（MP）、粘膠纖維（人造絲）等經(jīng)氧化、炭化等過程制得的含碳量為90%以上的纖維。按狀態(tài)分為長絲、短纖維和短切。

碳纖維的制備主要經(jīng)過5個階段：拉絲、牽引、穩(wěn)定、碳化和石墨化典型碳纖維制造商：Amoco、BASFGrafilInc.、TohoRayon、Toray；吉林炭素廠、上海炭素廠、蘭州炭素廠2/3/202318ChemistryofMaterials2004,Chapter5CH2=CH(CH2－CH)n

CNCNPAN原絲和碳纖維制備流程高分子化學(xué)－物理－加工成型－無機化學(xué)－材料科學(xué)聚合工程－自動化工程－紡絲工程－高溫氧化工程單體蒸餾提純按配比混合溶液聚合脫單,過濾,脫泡排序加捻

溶液過濾纖維成型熱水牽伸熱水洗滌熱水再牽伸熱水洗滌上油熱輥干燥加壓蒸汽牽伸熱輥定型卷繞上膠

2500-3000℃石墨化

展平解捻表面處理

1000-1800℃高溫碳化

200-300℃預(yù)氧化干

燥收絲纏繞

400-1000℃低溫碳化

2/3/202319ChemistryofMaterials2004,Chapter5碳纖維制備中PAN結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化單體聚合物原絲預(yù)氧絲碳纖維聚合紡絲預(yù)氧化碳化2/3/202320ChemistryofMaterials2004,Chapter5按力學(xué)性能分為通用型和高性能型。

通用型碳纖維強度為1000兆帕（MPa）、模量為100GPa左右。

高性能型碳纖維又分為高強型（HT）

（強度2000MPa、模量250GPa）和高模型（HM）

（模量300GPa以上）。強度大于4000MPa的又稱為超高強型（UHT）

；模量大于450GPa的稱為超高模型（UHM）

。隨著航天和航空工業(yè)的發(fā)展，還出現(xiàn)了高強高伸型碳纖維，其延伸率大于2％。用量最大的是聚丙烯腈基碳纖維。2/3/202321ChemistryofMaterials2004,Chapter5普通型高強度型高彈性模量型碳纖維的結(jié)構(gòu)模型2/3/202322ChemistryofMaterials2004,Chapter5碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。碳纖維除用作絕熱保溫材料外，一般不單獨使用，多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復(fù)合材料。

碳纖維增強的復(fù)合材料可用作飛機結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭航天器外殼、機動船、工業(yè)機器人、汽車板簧和驅(qū)動軸等。

2/3/202323ChemistryofMaterials2004,Chapter5我國首臺采用碳纖維全復(fù)合材料車廂的自卸車在內(nèi)蒙古包頭下線，該車載重50噸，自重4.8噸，比金屬廂體減重29%

美國使用碳纖維復(fù)合材料一次成型制造的短劍高速隱身試驗快艇，在整體制造成形過程中不用焊接，更無需鉚接。2/3/202324ChemistryofMaterials2004,Chapter5碳纖維復(fù)合材料-美軍的F-22隱身戰(zhàn)機

碳纖維復(fù)合材料用于制造殲-20等國產(chǎn)第四代戰(zhàn)機

2/3/202325ChemistryofMaterials2004,Chapter5美國先進飛機上采用復(fù)合材料的示意圖2/3/202326ChemistryofMaterials2004,Chapter5碳纖維在我國民用工業(yè)的應(yīng)用體育休閑用品：高爾夫球桿棒球棒賽艇弓高爾夫球頭壘球棒槳葉箭桿網(wǎng)球拍冰球棒舵拳擊手套羽毛球拍滑雪板沖浪板風(fēng)箏釣漁竿滑雪杖滑雪護腿登山杖自行車滑水杖球鞋底旱冰鞋紡織機零件：傳劍帶蹤桿蹤框劍頭導(dǎo)桿傳劍輪羅拉汽車零件：發(fā)動機罩手柄板簧導(dǎo)流板車門連軸器排氣管護套固定托架剎車片車門車牌內(nèi)裝飾（面板、把手等）醫(yī)療器械：X光照機床CT床板假腳照相暗盒核磁共振床韌帶心藏半膜人工關(guān)節(jié)放射線照相用頭托

γ刀床假肢診斷用擔(dān)架2/3/202327ChemistryofMaterials2004,Chapter5建筑補強：各種片材增強水泥拉擠板材增強混凝土建筑材料各種增強織物能源：抽油桿電動機殼汽車用天然氣瓶電加熱器風(fēng)力發(fā)電葉片電加熱毯工業(yè)日用品：手電筒電腦殼刀具手柄手杖各種三角架傘把手機殼揚聲器活動賬逢手提箱樂器（弓）戶外搖床眼鏡架計量尺大型電鉆軸各種筆桿（鋼筆、園珠筆、自動鉛筆等）其它：印刷羅拉新聞記者用伸縮桿電纜繞線弓、彈簧碳纖維在我國民用工業(yè)的應(yīng)用2/3/202328ChemistryofMaterials2004,Chapter52.2.2硼纖維（boronfiber）

硼纖維是一種新型的無機纖維，是一種在金屬絲上沉積硼而形成的無機纖維。

硼纖維的強度高,超過了鋼的強度。室溫下的斷裂強度為2744～3430MPa，彈性模量高達392～412GPa，但相對密度只有鋼材的四分之一。

硼纖維在惰性氣體中，高溫性能良好。在空氣中超過500℃時,強度顯著降低。

2/3/202329ChemistryofMaterials2004,Chapter5

硼纖維是很好的增強材料，可與金屬、塑料或陶瓷制成復(fù)合材料使用。主要用于航天、軍工等部門作為高溫結(jié)構(gòu)材料。由于這種纖維的活性大，在制作復(fù)合材料時易與基體相互作用、影響使用，這時可在纖維上涂敷BC、SiC涂層，以提高惰性。

2/3/202330ChemistryofMaterials2004,Chapter5硼纖維增強鋁基復(fù)合材料用于航天飛機主艙體支柱2/3/202331ChemistryofMaterials2004,Chapter52.2.3碳化硅纖維（siliconcarbidefibre）

碳化硅纖維是以有機硅化合物為原料經(jīng)紡絲、碳化或氣相沉積而制得具有β-碳化硅結(jié)構(gòu)的無機纖維,屬陶瓷纖維類。從形態(tài)上分有晶須和連續(xù)纖維兩種。

連續(xù)纖維是碳化硅包覆在鎢絲或碳纖維等芯絲上而形成的連續(xù)絲或紡絲和熱解而得到純碳化硅長絲。

2/3/202332ChemistryofMaterials2004,Chapter5

碳化硅纖維的最高使用溫度達1200℃，其耐熱性和耐氧化性均優(yōu)于碳纖維，強度達1960～4410MPa，在最高使用溫度下強度保持率在80％以上，模量為176.4～294GPa，化學(xué)穩(wěn)定性也好。

碳化硅纖維主要用作耐高溫材料和增強材料，耐高溫材料包括熱屏蔽材料、耐高溫輸送帶、過濾高溫氣體或熔融金屬的濾布等。做增強材料時，常與碳纖維或玻璃纖維合用，以增強金屬（如鋁）和陶瓷為主，制成噴氣式飛機的剎車片、發(fā)動機葉片、著陸齒輪箱和機身結(jié)構(gòu)材料等，軍用步槍槍筒、坦克履帶、導(dǎo)彈、火箭、魚雷等外殼。

2/3/202333ChemistryofMaterials2004,Chapter52.2.4玻璃纖維無捻玻璃纖維玻璃纖維網(wǎng)格布

2/3/202334ChemistryofMaterials2004,Chapter51、E-玻璃亦稱無堿玻璃，系一種硼硅酸鹽玻璃。具有良好的電氣絕緣性及機械性能，廣泛用于生產(chǎn)電絕緣用玻璃纖維，也大量用于生產(chǎn)玻璃鋼。

2、C-玻璃亦稱中堿玻璃，耐化學(xué)性特別是耐酸性優(yōu)于無堿玻璃，但電氣性能差，機械強度低于無堿玻璃纖維10%～20%。3、AR玻璃纖維亦稱耐堿玻璃纖維，主要是為了增強水泥而研制的。4、A玻璃亦稱高堿玻璃，是一種典型的鈉硅酸鹽玻璃，因耐水性很差，很少用于生產(chǎn)玻璃纖維。5、E-CR玻璃是一種改進的無硼無堿玻璃，用于生產(chǎn)耐酸耐水性好的玻璃纖維是專為地下管道、貯罐等開發(fā)的新品種。6、D玻璃亦稱低介電玻璃，用于生產(chǎn)介電強度好的低介電玻璃纖維。

玻璃（纖維）的分類

2/3/202335ChemistryofMaterials2004,Chapter5以纖維外觀分類有連續(xù)纖維，其中有無捻粗紗及有捻粗紗(用于紡織)；短切纖維；空心玻璃纖維；玻璃粉及磨細纖維等。無捻粗紗短切纖維玻璃粉2/3/202336ChemistryofMaterials2004,Chapter5玻璃纖維的力學(xué)性能抗拉強度很高(1200-1500MPa)，比塊狀玻璃高幾十倍。①玻璃內(nèi)部及表面均存在著較多的微裂紋，在外力的作用下，微裂紋處特別是表面微裂紋處，產(chǎn)生應(yīng)力集中，首先破壞。玻纖高溫成型時，減少了玻璃內(nèi)部成分的不均一性，使微裂紋產(chǎn)生的機會減少，因此纖維的強度提高。玻纖為何比同成分的玻璃強度高出好多倍呢？②玻纖在成型過程中由于拉絲機的牽引力作用，使玻纖內(nèi)部分子產(chǎn)生一定的定向排列，抗拉強度提高。2/3/202337ChemistryofMaterials2004,Chapter5影響玻璃纖維強度的因素：①

纖維直徑和長度對拉伸強度的影響直徑越細，拉伸強度越高；長度增加，拉伸強度顯著下降直徑(μm)性能457911拉伸強度(MPa)3000~38002400~29001750~21501250~17001050~1250可以用微裂紋理論解釋以上現(xiàn)象。因為纖維越細，微裂紋越少；纖維越長，產(chǎn)生微裂紋的概率越大。玻璃纖維長度(mm)纖維直徑(μm)平均拉伸強度(MPa)51315002012.512109012.73601560137202/3/202338ChemistryofMaterials2004,Chapter5②化學(xué)組成對拉伸強度的影響含堿量越高，強度越低。無堿玻璃纖維比有堿玻璃纖維的拉伸強度高20%。玻璃纖維纖維直徑(μm)拉伸強度(MPa)無堿5.012000有堿4.701600無堿玻璃纖維成型溫度高、硬化速度快、結(jié)構(gòu)鍵能大氧化鈉、氧化鉀等堿性氧化物為助熔氧化物，它主要通過破壞玻璃骨架，使結(jié)構(gòu)疏松，從而達到助溶的目的。氧化鈉和氧化鉀的含量越高，玻璃纖維的強度會相應(yīng)的降低。2/3/202339ChemistryofMaterials2004,Chapter5

高強玻璃纖維其特點是高強度、高模量，它的單纖維抗拉強度為2800MPa，比無堿玻纖抗拉強度高25%左右，彈性模量86000MPa，比E-玻璃纖維的強度高。用它們生產(chǎn)的玻璃鋼制品多用于軍工、空間、防彈盔甲及運動器械。玻璃纖維紗窗（隱形紗窗）玻璃鋼游樂場2/3/202340ChemistryofMaterials2004,Chapter52.3有機纖維2.3.1天然纖維2.3.2合成纖維1、芳綸纖維2、其他合成纖維JJJJ2/3/202341ChemistryofMaterials2004,Chapter5纖維

天然纖維化學(xué)纖維

合成纖維

棉花、羊毛、蠶絲、麻等再生人造纖維再生纖維素纖維和纖維素酯纖維等錦綸、滌綸、腈綸、維綸、丙綸和氯綸等用低分子化合物為原料，通過化學(xué)合成和機械加工而制得的均勻線條或絲狀高聚物。以天然高分子化合物為原料，經(jīng)化學(xué)處理和機械加工制得的纖維。2/3/202342ChemistryofMaterials2004,Chapter52.3.1天然纖維參考文獻：魯博等編，《天然纖維復(fù)合材料》，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005年

天然纖維的種類很多﹐長期大量用于紡織的有棉﹑麻﹑毛﹑絲四種。棉和麻是植物纖維，毛和絲是動物纖維，石棉存在于地殼的巖層中，稱礦物纖維。

2/3/202343ChemistryofMaterials2004,Chapter5

植物纖維主要組成物質(zhì)是纖維素，又稱為天然纖維素纖維。根據(jù)在植物上成長的部位的不同，分為種子纖維、葉纖維和莖纖維。

1.種子纖維：棉、木棉等；

2.葉纖維：劍麻、蕉麻等；

3.莖纖維：苧麻、亞麻、大麻、黃麻、竹等。

2/3/202344ChemistryofMaterials2004,Chapter5棉的結(jié)構(gòu)2/3/202345ChemistryofMaterials2004,Chapter5顯微鏡下未經(jīng)處理的棉織品和用PEG溶液處理的織品2/3/202346ChemistryofMaterials2004,Chapter5

動物纖維主要成分是蛋白質(zhì)，又稱為天然蛋白質(zhì)纖維，分為毛和腺分泌物兩類。

1.毛發(fā)類：綿羊毛、山羊毛、駱駝毛、兔毛、牦牛毛等；

2.腺分泌物：桑蠶絲、柞蠶絲等。2/3/202347ChemistryofMaterials2004,Chapter5羊毛纖維的卷曲羊毛纖維剖面圖2/3/202348ChemistryofMaterials2004,Chapter5石棉2/3/202349ChemistryofMaterials2004,Chapter52/3/202350ChemistryofMaterials2004,Chapter5天然纖維塑料復(fù)合地板成品環(huán)保型木塑復(fù)合材料2/3/202351ChemistryofMaterials2004,Chapter52.3.2合成纖維1、芳綸纖維

芳綸纖維全稱為聚對苯二甲酰對苯二胺（PPTA）,英文為Aramidfiber（杜邦公司的商品名為Kevlar凱夫拉），具有超高強度、高模量和耐高溫、耐酸耐堿、重量輕等優(yōu)良性能,其強度是鋼絲的5～6倍，模量為鋼絲或玻璃纖維的2～3倍，韌性是鋼絲的2倍，而重量僅為鋼絲的1/5左右，號稱合成的鋼絲，在560度的溫度下，不分解，不融化。

2/3/202352ChemistryofMaterials2004,Chapter5芳綸纖維及其應(yīng)用2/3/202353ChemistryofMaterials2004,Chapter5防彈衣、頭盔芳綸繩2/3/202354ChemistryofMaterials2004,Chapter52、其他合成纖維

合成纖維是以煤、石油、天然氣、水、空氣、食鹽、石灰石等為原料，經(jīng)化學(xué)處理制成的人工纖維。70年代合成纖維的年產(chǎn)量已占世界纖維總產(chǎn)量的一半。

合成纖維的主要品種有：綿綸（聚酰胺）、腈綸（聚丙烯腈）、滌綸（聚酯）、維綸（聚乙烯醇）、丙綸（聚丙烯）和氯綸（聚氯乙烯）等六種，其中前三種產(chǎn)量最大，占整個合成纖維產(chǎn)量的90％。

2/3/202355ChemistryofMaterials2004,Chapter5

綿綸是最早出現(xiàn)的合成纖維，尼龍66和尼龍6先后于1939年和1943年開始工業(yè)化生產(chǎn)。特點是比重大、強度高，具有突出的耐磨性，大多用于制造絲襪、襯衣、漁網(wǎng)、纜繩、降落傘、宇航服、輪胎簾布等。2/3/202356ChemistryofMaterials2004,Chapter5性能：具有與羊毛相似的特性，質(zhì)輕，保溫性和體積膨大性優(yōu)良。強韌（與棉花相同）而富有彈性，軟化溫度高。吸水率低，不適宜作貼身內(nèi)衣。缺點是強度不如尼龍和滌綸

結(jié)構(gòu)式:用途：大約70%作衣料用（紡織物占60%左右），用于工業(yè)生產(chǎn)的只占5%左右

聚丙烯腈纖維(腈綸、人造羊毛)2/3/202357ChemistryofMaterials2004,Chapter5性能：顯著優(yōu)點是：抗皺、保型、挺括、美觀。對熱、光穩(wěn)定性好。潤濕時強度不降低，經(jīng)洗耐穿，可與其他纖維混紡。年久不會變黃。缺點是不吸汗，而且需要高溫染色

結(jié)構(gòu)式:用途：是產(chǎn)量最大的合成纖維，大約90%作為衣料用（紡織品為75%，紡織物為15%）。也大量用于飲料瓶的制作，用于工業(yè)生產(chǎn)的只占總量的6%左右

聚對苯二甲酸乙二醇酯(滌綸、的確涼)2/3/202358ChemistryofMaterials2004,Chapter5

滌綸俗稱的確良，它兼有綿綸和腈綸的特點，強度高、耐磨，混紡后的棉滌綸和毛滌綸為最常用的衣著用料。在工業(yè)上，滌綸還可制作輪胎簾布、固定帶及運輸帶等。滌綸纖維出世較晚，但70年代已超過綿綸而居合成纖維首位。2/3/202359ChemistryofMaterials2004,Chapter5性能：親水性好，吸濕率可達5%，和尼龍相等，與棉花（7%）相近。強度與聚酯或尼龍相近，拉伸彈性比羊毛差，比棉花好

結(jié)構(gòu)式:用途：70%用于工業(yè)生產(chǎn)，其中以布和繩索居多。可代替棉花作衣料用

聚乙烯醇纖維（維綸、維尼綸）2/3/202360ChemistryofMaterials2004,Chapter52.5晶須及顆粒增強物2.5.1晶須α-碳化硅

晶須是由高純度單晶生長而成的短纖維。其機械強度等于鄰接原子間力。晶須的高度取向結(jié)構(gòu)不僅使其具有高強度、高模量和高伸長率，而且還具有電、光、磁、介電、導(dǎo)電、超導(dǎo)電性質(zhì)。晶須的強度遠高于其他短切纖維，主要用作復(fù)合材料的增強體，用于制造高強度復(fù)合材料。

2/3/202361ChemistryofMaterials2004,Chapter5晶須是一種直徑為零點幾至幾個微米的針狀單晶體纖維材料。在單晶體中的原子排列非常整齊，幾乎沒有多晶材料中存在的各種缺陷，如雜質(zhì)、空穴和位錯等，因此從強度而言，晶須的強度接近理論極限。如果晶須能夠象上述的纖維那樣可以非常長，則是最理想的增強纖維。2/3/202362ChemistryofMaterials2004,Chapter5制造晶須的材料分金屬、陶瓷和高分子材料3大類。已發(fā)現(xiàn)有100多種材料可制成晶須，主要是金屬、氧化物、碳化物、鹵化物、氮化物、石墨和高分子化合物。

碳酸鈣晶須晶須硅2/3/202363ChemistryofMaterials2004,Chapter5碳化硅β-SiC使用SiC材質(zhì)的機械制品2/3/202364ChemistryofMaterials2004,Chapter52.5.2顆粒增強物2/3/202365ChemistryofMaterials2004,Chapter5自然元素金剛石氧化物類紅寶石、藍寶石、赤鐵礦、硼鋁鎂石、尖晶石、石英碳酸鹽類孔雀石、珍珠、菱錳礦、菱鋅礦硅酸鹽類紅柱石、堇青石、斧石、柱晶石、藍錐礦、青金石、綠寶石、歐泊、賽黃晶、硅鈹石、透輝石、玉髓、頑輝石、方鈷礦、綠簾石、鋰輝石、藍晶石、碧璽、正長石、翡翠、微斜長石、軟玉、斜長石、橄欖石、斜長石、葡萄石、夕線石、薔薇輝石、石榴石、榍玉、符山石、黃玉、鋯石、藍柱石硫化物類閃鋅礦、黃鐵